Composite-Automatisierung Neuer F3-Compositor legt UD-Tapes ab und fügt sie auch gleich

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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Schages GmbH & Co.KG

Eine materialeffiziente Faserverstärkung von Bauteilen wird per UD-Tapes (unidirektional) möglich. Deren Verarbeitung gelingt jetzt noch einfacher, wie man auf der Fakuma erleben darf.

Leichtbau ist nach Ansicht der Forscher vom Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) nicht nur für die Automobilproduktion oder Luftfahrt ein Megatrend. Auch in vielen anderen Anwendungsfeldern sind demnach Bauteile gefragt, die ein relativ geringes Gewicht mit hoher Belastbarkeit kombinieren. Bei diesem Eigenschaftsmix sollen Composites, also faserverstärkte Kunststoffe, mit thermoplastischer Matrix und unidirektionalen, endlosfaserverstärkten Tape-Lagen sehr reizvoll sein. In diesen Tapes werden die Verstärkungsfasern während der Herstellung direkt so platziert, dass sie dort ideal verstärken, wo im späteren Einsatzfall die Kräfte am kritischsten auf das Bauteil einwirken. So lassen sich die Areale eines Bauteils, die besonders stabil sein müssen, gezielt stärken.

Roboterunterstütztes 3D-Tape-Legen in hohem Tempo

Und für Leichtbaukomponenten, die in relativ geringen Stückzahlen gefertigt werden, biete sich dabei das sogenannte 3D-Tape-Legen an. Dabei lassen sich sehr individuelle Designs mit geringem Materialverbrauch kombinieren, wie die Forscher erklären. Ein Beispiel sind etwa Orthesen aus dem Medizinsektor. Diese könnten mittels 3D-Tape-Legen spezifisch an Patienten angepasst werden. Gleichzeitig sind sie eben sehr leicht und dabei hoch belastbar. Damit dies gelinge, müsse allerdings das genaue Ablegen auf komplexen und 3D-geformten Geometrien prozesssicher gelingen. Denn das Ablegen bestimmt die Position der Tapes und die Orientierung der darin enthaltenen Verstärkungsfasern in Bezug auf das Bauteil respektive die Einwirkenden Kräfte. Nur die korrekte Ablage stelle also sicher, dass tatsächlich die gewünschte Faserorientierung und damit die angestrebte Belastbarkeit im späteren Bauteil erreicht werde.

Gemeinsam mit dem Fraunhofer-IMWS wurde nun von der Automation Steeg & Hoffmeyer GmbH (ASH) ein Gerät entwickelt, das eine hohe Reproduzierbarkeit bei der Produktion kleiner Stückzahlen sicherstellt und dabei auch die Vorteile des 3D-Tape-Legens ins Spiel bringt, wie es heißt – der sogenannte F3-Compositor! Er ermöglicht die automatisierte und multiaxiale Ablage sowie das gleichzeitige In-situ-Fügen von thermoplastischen UD-Tape-Halbzeugen. Dabei hilft ein 6-Achs-Roboter nebst Legekopf mit integrierter Wärmequelle auf Basis einer ökologisch optimierten Wasserstoff-Sauerstoff-Heizquelle. Das System ermöglicht so die lastpfadgerechte und materialeffiziente Faserverstärkung von Bauteilen. Und zwar durch das linienförmige oder flächige Ablegen von Tape-Einzelbahnen oder -Patches mit Legegeschwindigkeiten von bis zu einem Meter pro Sekunde.

Auch teure Carbonfaser-Tapes wirtschaftlich verarbeiten

Die konstante Legegeschwindigkeit im komplexen 3D-Raum ist dabei von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Ergebnisse, so die IMSW-Forscher. Auch arbeite die Neuheit sehr materialeffizient und sei mit geringem Aufwand an verschiedene Tape-Breiten anpassbar. Durch diesen materialeffizienten Legeprozess von UD-Tapes ist auch der Einsatz teurer Materialien wie Carbonfaser zur Verstärkungen wirtschaftlich möglich. Aktuell ist mit dem F3-Compositor im Technikum des Fraunhofer-Pilotanlagenzentrums für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in Schkopau (eine Gemeinschaftsanlage des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP und des Fraunhofer IMWS) die Verarbeitung von Tape-Breiten zwischen 3 und 12 Millimetern möglich. Eine speziell für diese Anwendung entwickelte Software von SWMS Systemtechnik sorge dazu für die benutzerfreundliche Programmierung sowie für die Prozesssimulation der Anlage, was mittels CAD-Daten für Materialverbrauch, Kollisionsprüfung, Zykluszeitermittlung et cetera klappe. Bis Ende 2023 will man das Technikum um einen 2D-Leger erweitern, der belastungsgerechte, ebene Tape-Laminate mit geringem Verschnitt applizieren könne. Das Fraunhofer-IMWS präsentiert das Ganze vom 17. bis 21. Oktober 2023 auf der Fakuma in Friedrichshafen in Halle B2.

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